【随机访问介质访问控制-1】为什么纯 ALOHA 效率不到 20%？3 大随机访问 MAC 协议拆解
纯 ALOHA 和时隙 ALOHA 明明就差个 “时间段”，怎么利用率差了快一倍？CSMA 的 “先听后说” 和 CSMA/CD 的 “边听边说” 到底多了啥功能？甚至不知道 CSMA 的三种类型（1 - 坚持、非坚持、p - 坚持）该怎么区分？这篇文章会用 “会议室抢话筒” 的比喻，帮你吃透 ALOHA、CSMA、CSMA/CD 的核心逻辑，还能直接拿捏最短帧长、退避算法等必考计算题。
一、先搞懂：随机访问协议的本质 ——“抢资源，但有规矩”
在广播信道（比如早期以太网）里，多个设备共享同一条传输线路，就像一群人挤在会议室抢一个话筒 —— 谁都想说话，但 “同时开口”（信号冲突）会让所有声音都失效。
随机访问协议的核心逻辑很简单：
- 自由发送：设备有数据就发，不用等 “调度”（没有集中控制）。
- 冲突补救：一旦发现冲突，按规则重传，直到成功为止。
- 本质目标：把 “乱哄哄的广播信道”，变成 “能有序传数据的点到点信道”。
二、ALOHA 协议：最 “野蛮” 的 “抢话筒”—— 想插就插
ALOHA 是随机访问协议的 “鼻祖”，逻辑像 “没主持人的会议室”，完全靠 “自觉”，效率极低但实现最简单。
1. 纯 ALOHA（Pure ALOHA）：“不管别人，我先插”
- 核心思想：设备有数据要发，不做任何检测，直接发送（相当于 “不管有没有人说话，直接插话”）。
- 冲突怎么判断：发送后等确认，没收到确认就认定冲突。
- 冲突后怎么办：随机等一段时间（比如 1 秒或 3 秒），再重发。
- 致命缺点：冲突窗口大（两个帧的时间），比如 A 刚发完一帧，B 在 A 发完前或发完后一帧内插话，都会冲突，导致信道利用率最高仅 18.4%（10 个人抢话筒，8 个都在撞车）。 -- 信道利用率极低。
2. 时隙 ALOHA（Slotted ALOHA）：“按时间段插，别乱抢”
- 核心改进：把时间切成等长的 “时间段（时隙）”，规定设备只能在每个时隙的开始时刻发送（相当于 “主持人说‘现在到 1 号时段，要说话的现在说’，其他时间不能插”）； -- 轮流说
- 冲突变化：冲突窗口缩小到 “一个帧的时间”—— 只有两个设备在同一个时隙插话才会冲突；
- 冲突处理：发生冲突后，等待随机个时隙后重传。
- 优点：通过限制发送时机，将冲突窗口缩小到一个帧时，提高了信道利用率(最高可达36.8%)，但需要全网时间同步。
- 缺点：需要全网 “对表”（时间同步），少一个设备同步就会乱套。
一张表分清两种 ALOHA
| 协议类型 | 发送规则 | 冲突窗口 | 最高信道利用率 | 核心优缺点 |
|---|---|---|---|---|
| 纯 ALOHA | 随时发送，无需同步 | 2 个帧时 | 18.4% | 实现简单，利用率极低 |
| 时隙 ALOHA | 仅时隙开始时发送，需同步 | 1 个帧时 | 36.8% | 利用率更高，依赖时间同步 |
三、CSMA 协议：“先听再说”—— 减少冲突的 “聪明抢法”
ALOHA 的问题是 “不看场合乱插话”，CSMA（载波监听多路访问）加了 “先听后说” 的机制 —— 就像 “说话前先听有没有人在讲，没人讲再插”，大幅降低冲突概率。
CSMA 分三种类型，核心区别在 “信道忙时怎么等”：
1 - 坚持 CSMA：“等也要等，一有空就插”
- 流程：监听信道→空闲？立刻发（概率 100%）→忙？一直听，直到空闲再立刻发。
- 比喻：盯着话筒，只要没人说，马上抢过来开口。
- 特点：信道不浪费（几乎没空着的时候），但多个人同时盯的话，一有空就集体抢，必然会发生冲突。
2. 非坚持 CSMA：“忙就走，过会儿再来听”
- 流程：监听信道→空闲？立刻发→忙？放弃监听，随机等一会儿再回来听。
- 比喻：听着有人说话，不等了，过 5 分钟再回来看看话筒空没。
- 特点：冲突少（没人抢着等），但信道容易空着（比如话筒空了，没人及时来用），数据延迟变长。
3. p - 坚持 CSMA：“折中一下，看概率插”
- 适用场景：时分信道（时间切成时隙，和时隙 ALOHA 类似）。
- 流程：监听信道→忙？等下一个时隙再听→空闲？以概率 p 发，概率 1-p 等下一个时隙。
- 比喻：话筒空了，扔硬币决定（p=0.5 就是 50% 概率开口，50% 等下一轮）。
- 特点：平衡冲突和延迟 —— 比 1 - 坚持冲突少，比非坚持信道利用率高，是 “中间方案”。
CSMA 三种类型对比表
| 类型 | 信道忙时策略 | 冲突概率 | 信道利用率 | 延迟大小 |
|---|---|---|---|---|
| 1 - 坚持 CSMA | 持续监听，空闲即发 | 高 | 高 | 小 |
| 非坚持 CSMA | 随机等待后重听 | 低 | 低 | 大 |
| p - 坚持 CSMA | 按概率发送 / 等下一时隙 | 中 | 中 | 中 |
四、CSMA/CD 协议：以太网的 “边说边听，撞了就停”—— 解决冲突的终极方案
CSMA 的问题是 “发了之后不知道有没有冲突”，CSMA/CD（载波监听多路访问 / 冲突检测）加了 “冲突检测”，相当于 “边说话边听自己的声音，一旦发现和别人撞了，立刻闭嘴”—— 这是传统半双工以太网的核心协议。
1. 核心思想：4 句话记住
先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发
2. 关键机制（必考！）
（1）冲突检测：怎么知道 “撞车” 了？
发送前和发送中持续检测信道 —— 如果有两个信号同时传输，电压会叠加变高，一旦检测到这种变化，就认定 “冲突了”，立刻做两件事：
- 停止发送数据（别再浪费信道）；
- 发一个 “强化干扰信号”（让所有设备都知道 “冲突了，别发了”）。
（2）争用期（冲突窗口）：多久能发现冲突？
- 定义：设备从开始发送，到确定 “没冲突” 的最长时间，值为2τ（τ 是信号从信道一端传到另一端的单程时间）。
- 为什么是 2τ：比如 A 在信道一端发数据，B 在另一端同时发，信号要经过 τ 时间相遇（冲突），冲突信号再经过 τ 时间传回 A，所以 A 最多等 2τ 就能知道有没有冲突。
- 重要性：只要 2τ 内没有检测到冲突，就说明 “这次发送肯定没冲突”。
（3）最短帧长：别 “没听完就说完了”
- 要求：数据帧的发送时间，必须≥2τ（争用期）；
- 原因：如果帧太短，发送时间＜2τ，设备发完了还没等到冲突信号，就不知道 “撞车” 了，数据白发。
- 公式：最短帧长 = 2τ × 信道带宽。
- 例子：10Mbps 以太网，τ=25.6μs，最短帧长 = 2×25.6μs×10Mbps=512bit（即 64 字节）—— 这就是以太网帧最小 64 字节的由来！
（4）截断二进制指数退避算法：冲突后 “等多久再发”？
用途:确定冲突后重传的等待时间。
冲突后不能立刻重发（不然会再次冲突），要随机等一段时间，规则如下：
- 上限：如果重传 16 次还没成功，就丢弃数据，向高层报错（别再浪费资源）。
3. 完整流程：一步不差
- 设备准备好数据，开始监听信道；
- 若信道忙，持续监听；若信道空闲且保持 9.6μs（帧间最小间隔，防止连发包冲突），就发送数据。
- 发送时持续检测信道：
- 若 2τ 内没冲突，发送成功。
- 若检测到冲突，立刻停发 + 发干扰信号，执行退避算法，等随机时间后回到步骤 2。
- 若重传 16 次都失败，丢弃数据并报错。
五、总结：3 个必拿分要点
公式类：
- 时隙 ALOHA 最高利用率 36.8%，纯 ALOHA18.4%。
- 最短帧长 = 2τ× 信道带宽（记住例子：10Mbps 以太网 64 字节）。
概念类：
- CSMA/CD 的核心是 “冲突检测”，只用于有线以太网。
- 争用期 = 2τ，是判断冲突的关键时间。
- 退避算法的 k 值 = min（重传次数，10），最多重传 16 次。
对比类：
- ALOHA→无监听，效率低。
- CSMA→有监听（先听后发），无检测。
- CSMA/CD→有监听 + 检测（边听边发），效率最高。
六、一句话总结
随机访问协议的进化史，就是 “从不管冲突（ALOHA）→减少冲突（CSMA）→解决冲突（CSMA/CD）” 的过程，核心都是 “在自由发送和有序传输间找平衡”。